Группа физиков из Университета штата Флорида описала условия, при которых возникает особый тип электронного кристалла — обобщенный кристалл Вигнера. В этом состоянии электроны выстраиваются в упорядоченную решетку, одновременно оставаясь способными в любой момент перейти в более подвижное состояние. Об этом 17 ноября сообщил журнал Science Daily.

Идея о том, что при затвердевании тонких двумерных материалов электроны способны формировать кристаллы Вигнера, была выдвинута впервые в 1934 году. Несмотря на наличие экспериментальных данных, ученые долго не могли объяснить механизм образования таких структур.

«В нашем исследовании мы определили, какие «квантовые ручки» нужно повернуть, чтобы вызвать этот фазовый переход и получить обобщенный кристалл Вигнера, который использует двумерную муаровую систему и позволяет формировать различные кристаллические формы, такие как полоски или сотовые кристаллы, в отличие от традиционных кристаллов Вигнера, которые демонстрируют только треугольную решетку», — пояснил один из авторов работы, доцент Хитеш Чанглани.

Для моделирования поведения электронов команда применила численные методы: точную диагонализацию, ренормгруппу матрицы плотности и моделирование методом Монте-Карло.

По словам постдокторанта Национальной лаборатории сильных магнитных полей имени Дирака Амана Кумара, в настоящее время исследователи благодаря теоретическому осмыслению состояния материи могут воспроизвести экспериментальные наблюдения. Он уточнил, что с помощью таких подходов, как тензорные сети и диагонализация, ученые получают представление о том, как формируются кристаллические состояния и почему они оказываются предпочтительнее других энергетически конкурентных конфигураций.

В работе также был выявлен неожиданный фазовый режим, получивший название «квантовый пинбол». В нем часть электронов закреплена в кристаллической решетке, тогда как остальные перемещаются подобно шарикам в пинболе.

«Эта фаза пинбола — очень интересная фаза материи, которую мы наблюдали, исследуя обобщенный кристалл Вигнера. Некоторые электроны стремятся застыть, а другие — парить, что означает, что некоторые из них являются изолирующими, а некоторые — проводящими электричество. Впервые этот уникальный квантово-механический эффект был обнаружен и описан для плотности электронов, которую мы изучали в нашей работе», — отметил соавтор исследования, доцент Киприан Левандовски.

Полученные результаты расширяют представления о контроле и понимании поведения материи на квантовом уровне. Левандовски добавил, что ученые пытаются предсказать, в каких условиях возникают те или иные фазы и каким образом одно состояние переходит в другое.

Авторы полагают, что управление квантовыми регуляторами, то есть энергетическими шкалами, позволит переводить электроны из твердой фазы в жидкую в подходящих материалах. Кроме того, подчеркивается, что понимание кристаллов Вигнера и смежных состояний может повлиять на развитие квантовых технологий, включая квантовые вычисления и спинтронику.

Ранее, 26 сентября, Science Daily сообщил о создании первого работающего квантового интернета — технологии передачи данных, основанной на принципах квантовой физики. Сообщалось, что инженеры впервые вынесли квантовые сети из лабораторий в реальную среду, используя коммерческие волоконно-оптические кабели Verizon, совместимые со стандартными интернет-протоколами.